Experimental investigation of the influence of steel joints upon the flexural capacity of precast concrete columns

In previous studies, the authors have shown that successful modular construction depends on using the correct types of joint connections. In this experimental study, steel beam–column joint connections were shown to be very efficient in facilitating the construction of modular frames while ensuring sufficient flexural moment capacity at the joints to resist lateral loads. This research also included an investigation of the behavior, the crack pattern, and the flexural moment capacity of concrete columns with hybrid composite joints by means of structural experiments on three specimens. Three column specimens were subjected to cyclic loading under displacement control using an oil jack. The influence of including steel sections at the beam–column joint upon the flexural moment capacity of the column was studied, and the use of concrete–steel hybrid composite joints was found to increase the flexural structural performance of the concrete columns. The flexural moment capacity in the maximum load limit state of a concrete column with steel joints was 43.2% greater than that of a conventional reinforced concrete column without steel joints. The steel section in the joint was found to greatly contribute to the flexural moment capacity and to the modular construction technologies.     

柱靴螺栓连接预制混凝土柱抗震性能试验研究

为研究柱靴螺栓连接预制混凝土柱的抗震性能,对4个柱靴螺栓连接预制混凝土柱进行了拟静力试验,并与整浇混凝土柱进行对比,研究其破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、位移延性、耗能能力、刚度退化等抗震性能及承载力。此外,还结合相关文献中的试验数据,分析了柱靴与基础连接的转动刚度及接缝承载力。结果表明：柱靴螺栓连接预制柱均发生柱底接缝压弯破坏,且破坏集中在柱靴灌浆区域;轴压比为0.2的柱靴螺栓连接预制柱的底部结合面出现通缝,滞回曲线捏拢严重,其耗能能力较轴压比为0.5柱靴螺栓连接预制柱和相同轴压比整浇柱的差;柱靴螺栓连接预制柱的位移延性系数为3.04~3.79,极限位移角为1/49~1/32,具有较好的位移延性;柱靴与基础连接满足欧盟BS EN 1993-1-8刚性连接性能要求,可按刚性连接设计;对于小偏心受压柱靴螺栓连接预制柱,按JGJ 1—2014计算的正截面承载力与试验值之比平均为0.66,具有较高的安全度,但对于大偏心受压柱靴螺栓连接预制柱,二者之比平均为0.90,安全度偏低。在GB 50010—2010的基础上,引入混凝土极限压应变和抗压强度折减系数,分析了柱底接缝的传力机理,建立了考虑剪切影响的柱底接缝处正截面承载力计算方法。按该方法计算的大偏心受压柱靴螺栓连接预制柱的承载力与试验值之比平均为0.81,与配置高强纵筋整浇柱的平均结果相当。     

方钢管混凝土柱外置式环梁节点的试验及设计方法研究

本文对自行研制的一种用于方钢管混凝土结构的新型外置式环梁节点,进行了三个环梁纵筋配筋量和形式各不相同的梁柱组合体试件在楼面恒载和侧向低周反复荷载共同作用下的试验。考察了梁柱组合体的宏观受力性能,以及不同配筋形式对环梁节点性能的影响,分析了试验现象及试件中钢筋应变发展规律。初步的试验结果表明,这种新型节点形式可以应用于实际工程。之后,提出了本节点形式应用于工程时初步的设计方法。     

T形板肋对预制带肋底板混凝土叠合板弯曲疲劳性能的影响

为研究T形板肋对预制带肋底板混凝土叠合板弯曲疲劳性能的影响,对3块T形肋底板叠合板和1块整浇板进行弯曲疲劳性能对比试验,主要考察T形板肋与疲劳荷载幅值对试件疲劳破坏形态及疲劳损伤程度的影响,得到了在不同疲劳循环加载次数下的跨中动位移、混凝土应变、预应力筋应变、残余变形等,分析了在不同疲劳循环加载次数下的刚度退化情况、荷载应变分布规律、裂缝分布规律及剩余承载力等。研究结果表明,经历200万次疲劳循环加载后,T形肋底板叠合板无明显的刚度和强度退化,增设T形板肋的叠合板能达到与整浇板相同的弯曲疲劳性能;T形肋底板叠合板正截面弯曲疲劳强度计算可采用普通预应力混凝土受弯构件正截面疲劳应力验算的4个假定,最终以此建立了其正截面弯曲疲劳强度验算方法。     

预制混凝土管组合柱受剪性能试验研究

为研究预制混凝土管组合柱的受剪性能,完成了 12个预制混凝土管组合柱试件和3个预制混凝土空心管对比试件的受剪试验,分析了剪跨比、轴压比、配箍率和填充混凝土强度对各试件受剪承载力、变形性能以及破坏形态的影响.结果表明:各试件均出现剪压破坏模式,主斜裂缝夹角介于28°～41°之间;剪跨比和轴压比对预制混凝土管组合柱受剪性能...     

配置600MPa钢筋预制混凝土柱连接区抗震性能试验研究

设计了2个钢连接件连接和3个半灌浆套筒连接预制钢筋混凝土柱试件,对试件进行了低周反复加载试验,研究了预制柱的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、位移延性、钢筋应变、刚度退化以及耗能能力,分析了连接形式、轴压比等因素对其抗震性能的影响。试验结果表明:采用钢连接件连接的预制柱Z-1的抗震性能比预制柱Z-2要好;3个采用半灌浆套筒连接的预制柱均能有效传递荷载,结合面处未出现滑移错动。采用钢连接件连接的预制柱Z-1与半灌浆套筒连接预制柱的滞回曲线、耗能能力相当,但后者变形能力更强。轴压比较高的预制柱,骨架曲线下降段更陡,变形能力更弱,但耗能能力更强。采用大直径纵筋半灌浆套筒连接的预制柱承载力略有降低,骨架曲线下降段较陡,后期刚度衰减更快,变形能力更弱。     

套筒灌浆缺陷对预制混凝土柱抗震性能影响的试验研究

针对目前广泛应用的套筒灌浆连接预制混凝土柱,为了研究套筒灌浆缺陷对其抗震性能的影响,设计了7根预制混凝土柱与1根现浇混凝土柱,在预制混凝土柱一侧套筒内预设了“浆体回落”与“完全不灌浆”两类灌浆缺陷,并开展低周往复荷载试验,分析其破坏形态及滞回特性、承载力、耗能能力等抗震性能。结果表明,混凝土柱发生柱底截面破坏与套筒顶截面破坏两种受弯破坏模式。无缺陷预制混凝土柱与现浇混凝土柱的破坏模式相同,承载力相近。与无缺陷预制混凝土柱相比,带缺陷预制混凝土柱的正向峰值荷载降低了6%~44%、位移延性系数降低了1%~43%、累积总耗能值降低了37%~63%。当缺陷高度超过全灌浆套筒一侧钢筋锚固长度的33%时,灌浆缺陷将对预制混凝土柱的滞回特性、承载力、延性与耗能能力等均产生明显不利影响。     

预制混凝土管组合柱-钢梁连接节点抗震性能试验研究

为研究预制混凝土管组合柱-钢梁连接节点的抗震性能,以轴压比、钢套箍延伸高度、芯部混凝土强度以及钢套箍厚度为主要参数,进行了6个1/2缩尺节点的拟静力试验。研究了各节点的破坏形态、滞回特性、承载能力、耗能能力以及节点域受剪性能。试验结果表明：各节点主要破坏模式均为节点域剪切破坏;滞回曲线呈典型弓形,耗能能力较好;芯部混凝土强度和钢套箍厚度是影响节点抗震性能的关键参数,对承载能力和耗能性能影响较大;破坏时节点域极限剪切变形介于0.0482 ~0.100 rad之间;节点域受剪承载力降低系数介于0.86~1.00之间,承载力退化性能稳定。建立了预制混凝土管组合柱-钢梁连接节点受剪承载力计算式,计算值与试验值吻合较好且偏于安全。     

配置500 MPa钢筋套筒灌浆连接预制混凝土柱抗震性能试验研究

试验中设计了6个钢筋套筒灌浆连接预制混凝土柱和2个现浇混凝土柱,对其进行低周反复加载试验,其中配置的纵筋和箍筋均为500 MPa钢筋,研究了预制柱的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、位移延性、耗能能力以及承载力,分析了轴压比、配箍形式和灌浆料强度对其抗震性能的影响。研究结果表明：预制柱的位移延性、耗能能力和承载力均与现浇柱相近;预制柱套筒区形成刚域,套筒顶部破坏最为严重;轴压比较小的预制柱,其柱根部灌浆层结合面发生破坏,且滞回曲线会出现捏拢;轴压比较大的预制柱在保护层剥落后,出现核心区混凝土压碎破坏;预制柱的位移延性系数的均值仅为220,但极限位移角的均值可达1/31。     

板肋形式对预制带肋底板混凝土叠合板受弯性能的影响研究

为研究板肋形式对预制带肋底板混凝土叠合板受弯性能的影响,设计并制作2种不同板肋构造形式的预制带肋底板,即矩形肋底板与T形肋底板。对1块矩形肋底板叠合板、1块T形肋底板叠合板以及1块整浇板进行受弯性能静载对比试验,得到了其破坏形态、 荷载-跨中预应力筋应变曲线、荷载 跨中板顶面混凝土压应变曲线以及荷载 跨中挠度曲线,分析其破坏机理、变形特征以及裂缝分布规律。研究结果表明,3种不同板肋构造形式的试件在静力荷载作用下表现出相同的受力性能,增设板肋的叠合板能达到与整浇板相同的受弯能力。提出了预制带肋底板混凝土叠合板的开裂弯矩和极限弯矩计算式,计算值与试验值吻合较好。     

套筒灌浆缺陷整治预制混凝土柱抗震性能的试验研究

针对预制混凝土柱套筒灌浆缺陷进行了缺陷整治前后抗震性能的试验研究。共设计了9根预制混凝土柱试件,采用直接补灌法和破型修复法对预制混凝土柱试件的套筒灌浆缺陷进行整治,并开展了低周往复对比试验研究,分析了套筒灌浆缺陷整治前后各预制混凝土柱试件的破坏模式、滞回特性、承载力、延性和耗能能力等抗震性能的变化规律。结果表明,预制混凝土柱试件有柱底截面破坏和套筒顶截面破坏两种破坏模式,套筒灌浆缺陷整治后预制混凝土柱试件的破坏模式与套筒灌浆无缺陷预制混凝土柱试件相同,均发生柱底截面破坏。带套筒灌浆缺陷预制混凝土柱试件缺陷整治后的正向峰值荷载较缺陷整治前提高了19%～62%,破坏点位移提高了11%～50%,累积总耗能值提高了48%～157%。带套筒灌浆缺陷预制混凝土柱试件整治后的滞回特性、承载力、延性与耗能能力等均基本恢复至套筒灌浆无缺陷预制混凝土柱试件的水平。推荐的直接补灌法简单有效、操作方便,可在实际工程中推广应用。     

Experimental investigation of dry mechanical beam–column joints for precast concrete based frames

This paper proposes dry mechanical beam–column joints for fully restrained moment connections of concrete components. This novel joint can be used for reinforced concrete precast frames and steel–concrete composite precast frames. The new dry mechanical joint consists of extended steel plates with bolts designed to transfer tension and compression forces, providing fully restrained moment connections at the beam–column joint. The extended end plate with bolts introduced for column‐beam joint assembly was originally used in the steel moment frame, as introduced in AISC 358. This study developed similar but unique mechanical joint details for concrete frames in order to provide fully restrained moment connections for both steel–concrete composite precast frames and reinforced concrete precast frames. Experimental and analytical investigations were performed to verify the structural behavior of fully restrained moment connections for concrete components in order to identify the parameters that influence the structural behavior of dry mechanical moment concrete connections. These connections are expected to be used in modular offsite construction for buildings and heavy industrial plants. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

塑性铰区采用FRC柱试验研究及正截面承载力分析

采用简化的纤维增强混凝土应力应变关系,根据截面变形的平截面假定和截面力的平衡方程,推导出塑性铰区采用纤维增强混凝土柱在不同极限状态时的曲率。根据各极限状态点曲率,求得截面上各分布力,对截面形心轴取距,到塑性铰区采用FRC柱的开裂、屈服、峰值和极限点的弯矩表达式。与试验结果对比表明,计算值与试验值吻合较好。     

预制混凝土空心模剪力墙受力性能试验研究

通过1个钢筋混凝土剪力墙试件和5个横向孔洞为矩形的预制混凝土空心模剪力墙试件的拟静力试验,研究了采用纵向孔洞为圆形、横向孔洞为矩形的空心模构造的预制混凝土空心模剪力墙试件的受力性能。结果表明：该预制混凝土空心模剪力墙沿竖向分布钢筋位置出现竖向裂缝,避免了脆性破坏发生,位移延性系数为3.87~6.47,变形性能良好;现浇与预制混凝土结合面是墙体受力的薄弱部位,降低了墙体的受剪承载力,对高轴压比试件尤为显著;空心模剪力墙在正常使用阶段的刚度与现浇混凝土剪力墙相似,在设计计算时无需对刚度进行折减;提高轴压比和减小剪跨比能够增加墙体的初始刚度,但加快了后期刚度退化速率;降低水平钢筋配筋量对墙体的受剪承载力和变形能力影响较小,但降低了开裂荷载,增加了裂缝宽度。     

榫卯式接缝预制混凝土剪力墙受力性能试验研究

为研究榫卯式接缝预制混凝土剪力墙的受力性能,进行了1片现浇钢筋混凝土剪力墙和4片预制混凝土剪力墙在恒定轴力作用下的拟静力试验,分析了榫卯式接缝性能及墙体的抗震性能。结果表明：峰值荷载前,同一位置榫卯式接缝两侧水平钢筋应变基本相同,接缝两侧墙体基本无相对变形。破坏时水平、竖向相对变形仅为0.34、0.79mm,接缝连接可靠,保证了墙体的整体性能。榫卯式接缝预制混凝土剪力墙的受弯承载力、刚度与钢筋混凝土剪力墙基本相当,能够达到“等同现浇”的设计目标;破坏时墙体竖向接缝处混凝土剥落,减小了根部混凝土压溃区域面积,提高了墙体的变形能力;当顶点位移角为1/50时,预制混凝土剪力墙仍保持良好的竖向承载能力;提高边缘构件纵筋配筋率,墙体承载力提高,破坏区域更加集中在墙体的接缝处,延缓了根部混凝土的压溃。     

大直径高强钢筋套筒灌浆连接预制柱抗震性能试验研究

设计了6个截面尺寸为600mm×600mm的钢筋套筒灌浆连接预制混凝土柱,对其进行了低周反复加载试验,其中配置的纵筋和箍筋均为500MPa级高强钢筋,受力纵筋直径为25mm和36mm。研究了预制柱的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、位移延性、耗能能力以及极限承载力,并分析了轴压比、纵筋直径和配箍形式对其抗震性能的影响。研究结果表明：达到峰值荷载时,500MPa级纵筋均能受拉屈服|试件极限承载力的计算值与试验值之比平均为0.78,具有一定安全度|轴压比为0.50的试件的滞回曲线饱满,而轴压比为0.25的试件,其根部灌浆接缝结合面发生破坏并出现了受力纵筋从套筒中拔出的现象,导致其滞回曲线出现捏拢,耗能能力相对较低|各试件的位移延性系数为3.80~5.31,极限位移角为1/47~1/33,均具有较高的延性水平|通过附加架立筋并配置复合箍的方式可保证大直径钢筋预制柱的抗震性能,并建议优选本文的配箍形式二。     

现浇柱预制梁混凝土框架结构抗震性能试验研究

为研究装配整体式混凝土框架结构的滞回性能、延性和耗能能力等抗震性能,并考察其在罕遇地震作用下进入弹塑性阶段的受力性能,进行了2个1/2比例的2层2跨现浇柱预制梁框架试件的低周反复荷载试验。2个试件分别为对比装配式框架试件和预制梁端底部钢筋带套管的框架试件,试验中结构的最大层间位移角达到1/25。试验结果表明：现浇柱预制梁框架结构具有稳定的滞回性能及良好的延性;整个试验过程中结构刚度退化明显,且刚度退化主要发生在屈服之前;梁端钢筋的套管很好地发挥了作用,套管将接缝处钢筋变形平均到套管中,增大了梁端塑性铰长度,进而提高了结构的变形能力。研究成果可为装配整体式混凝土框架在抗震设防区的推广和应用提供参考。     

六层两跨现浇柱预制梁框架抗震性能试验研究

以六层现浇柱叠合梁框架实际工程为原型,通过一榀1∶4比例的六层两跨现浇柱预制梁框架的低周反复荷载试验,对其受力过程、破坏形态、破坏机制、位移延性、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、耗能能力以及等效黏滞阻尼系数等进行了较系统的研究。结果表明:现浇柱预制梁框架在低周反复荷载下实现了强柱弱梁、强节点弱构件的设计目标;破坏机制为混合机制,即塑性铰首先在梁端出现,在二层梁端出现塑性铰后柱端才开始出现塑性铰,试件以二层柱脚混凝土部分压碎剥落、柱内纵筋压曲外露为破坏标志,节点核心区内的箍筋在整个试验过程中处于弹性状态;框架整体及层间的滞回曲线表现出一定的捏拢现象;框架正、反向整体位移延性系数分别为3.9和5.3,表明其在低周反复荷载下具有较好的位移延性。研究成果可为预制混凝土框架在地震区的推广应用提供技术依据和基础数据。     

预制T形肋底板混凝土叠合板弯曲疲劳性能试验研究

为研究T形肋对混凝土叠合板弯曲疲劳性能的影响,进行了预制T形肋底板混凝土叠合板和整浇板的弯曲疲劳性能对比试验。通过对比试验得到了不同疲劳循环加载次数下的跨中挠度、混凝土应变、预应力筋应变、残余变形等,研究了试件在疲劳循环荷载下的刚度退化情况、荷载 应变分布、裂缝分布及残余承载力等。结果表明：经历200万次疲劳作用后,预制T形肋底板混凝土叠合板无明显刚度和承载力退化,增设T形肋的叠合板能达到与整浇板相同的疲劳性能。基于试验结果,给出了预制T形肋底板混凝土叠合板正截面弯曲疲劳强度计算假定以及正截面弯曲疲劳应力验算方法。     

方钢管混凝土柱-钢梁外加强环节点滞回性能的实验研究

进行了8个方钢管混凝土柱-钢梁外加强环式节点试件在恒定轴力和水平往复荷载作用下的滞回性能实验研究,考察了钢管混凝土柱轴压比和环板宽度对节点力学性能的影响。结果表明:柱轴压比对节点的水平承载力和抗震性能影响较大,随着轴压比的增大,节点的水平极限承载力下降,位移延性和耗能能力降低;不同环板宽度节点的滞回曲线均为饱满的梭形,强度和刚度退化不明显;本次试验的8个节点试件的层间位移延性系数μ=3.00～7.41,弹性极限位移角θy≈2.03[θe]～5.30[θe],弹塑性极限位移角θu≈1.78[θp]～3.90[θp],等效黏滞阻尼系数he=0.3576～0.5339,均满足抗震设计要求。